正极材料碳包覆磷酸亚铁锂的合成与性能研究

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本文以FePO4为原料、以易得的含碳化合物为碳源,采用改进了前驱体状态的固相反应法合成出碳包覆磷酸亚铁锂(LiFePO4/C)正极材料。重点研究了合成条件及前驱物状态对材料性能的影响,探讨了提高材料振实密度的方法。1.为了得到用于合成LiFePO4/C的小粒径FePO4,采用共沉淀法,分别以FeSO4-7H2O和Fe(NO3)3-9H2O为原料制备了两种FePO4(简记为FP-1和FP-2),并通过XRD、SEM、TG-DTA、XRF. IR等对FP-1进行了表征。结果表明,FP-1为无定形,粒径约100nm,其化学式为FePO4-2H2O,铁、磷元素的摩尔比为0.95:1。2.分别以市售FePO4-4H2O和FP-1为原料、可溶性淀粉为碳源,采用糊状法合成了A类和B类LiFePO4/C材料。探讨了焙烧温度、焙烧时间和淀粉用量对材料性能的影响,发现焙烧温度是最重要的影响因素,焙烧时间的影响次之,淀粉用量也有一定的影响。对A类材料,即使在最佳焙烧条件下(550℃、4h)合成,其充放电比容量仍较低。对B类材料,在最佳焙烧条件下(600℃、10h)合成的材料呈现出优良的容量性能和倍率性能,即使在30C,材料的放电比容量仍有72mAhg-1。A类和B类材料电化学性能上的差别主要缘于材料粒径上的差别,减小材料的粒径对提高其容量性能有利。3.以FP-1为原料,硬脂酸为碳源,采用糊状法合成了C类LiFePO4/C材料。探讨了焙烧时间对材料性能的影响。发现600℃下焙烧4h所得的材料具有最佳的电化学性能,即使倍率高达30C,该材料仍保持93.2 mAh g-1的放电比容量。硬脂酸作为表面活性剂对原料FePO4粒子良好的分散作用,有利于合成出完全包覆碳的LiFePO4粒子,优化了材料的性能。4.以FP-1为原料,硬脂酸为碳源,采用片状法合成了D类LiFePO4/C材料。以FP-2为原料,硬脂酸为碳源,采用粉状法合成了E类材料。这两类材料均呈现出粒子密堆积结构,不仅振实密度得以提高,而且具有优良的高倍率性能。600℃下经4h焙烧所得的D类和E类材料最高振实密度分别达到1.56 g cm-3和1.71 gcm-3.D类和E类材料中振实密度分别为1.36 gcm-3和1.35 g cm-3的材料均呈现出良好的高倍率性能(20C时的放电比容量约110mAhg-1),前者在1C倍率下循环至700圈,仍保持了约150 mAhg-1的放电比容量。
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